امواج فراصوت در سنتز نانو فوتوکاتالیزورهای موثر فعال نور مرئی برای تخریب کامل آلاینده های رنگی آزو و ترکیبات فنلی از محیط آبی

در این پروژه، نانو ذرات خالص فریت بیسموت به عنوان کاتالیزور فعال نور مرئی در زمانی کوتاه و دمایی پایین با امواج فراصوت سنتز شدند و با روش های مختلف شناسایی گردیدند. این نانو ذرات با گاف انرژی دو الکترون ولت، بلورینگی بیشتر و اندازه بلوری کوچکتر نسبت به نمونه سنتز شده به روش سل-ژل داشتند. نمونه سنتز شده خاصیت فرو مغناطیسی ضعیفی در دمای اتاق داشته و دمای کوری آن 834 درجه سانتیگراد بود که به انتقالات فازی فرو الکتریک به پارا الکتریک نسبت داده شد. تجزیه رنگ های رودامین ب، راکتیو بلک و متیلن بلو تحت تابش نور خورشید با نانو ذرات سنتز شده مطالعه گردید. شدت پیک های جذبی رنگ ها به تدریج کاهش یافته و سرانجام بعد از زمان های مشخصی ناپدید شدند. اثر پارامترهای مختلف از قبیل مقدار کاتالیزور، غلظت رنگ، ph محلول روی تجزیه رنگ ها مورد بررسی قرار گرفت. غلظت نسبی رنگ ها در محلول و روی سطح کاتالیزور در زمان های مورد نظر تعیین شد و نتایج واجذبی نشان داد که رنگ ها در محلول و روی سطح کاتالیزور به طور کامل تحت شرایط به کار رفته تخریب شدند. رودامین ب و راکتیو بلک در محیط های اسیدی و بازی در مقابل اکسیداسیون نوری مقاوم بودند، اما متیلن بلو در محیط بازی تحت تابش نور خورشید از طریق فرایند اکسیداسیون نوری تخریب می شد. هم دمای جذب در تاریکی و سینتیک تجزیه نوری کاتالیزوری رنگ ها تحت تابش نور با این نانو ذرات مورد بررسی قرار گرفت. تجزیه نوری کاتالیزوری رنگ ها از سینتیک شبه مرتبه اول بر اساس مدل لانگمویر هینشل وود تبعیت می کرد. درصد معدنی شدن آلاینده های رنگی با روش های مختلف از قبیل کروماتوگرافی گاز/ اسپکتروسکوپی جرم، اندازه گیری کل کربن آلی و میزان تقاضای اکسیژن شیمیایی تعیین شد. کاهش میزان تقاضای اکسیژن شیمیایی به میزان 83 درصد برای متیلن بلو و کاهش کل گونه های آلی به میزان 100 درصد برای رودامین ب نشان دهنده معدنی شدن بالای رنگ ها می باشد. علاوه بر این، پایداری کاتالیزور در طی چرخه های متوالی مورد ارزیابی قرارگرفت. هیچ کاهشی در فعالیت نوری کاتالیزوری نانو ذرات در طی پنج چرخه متوالی مشاهده نشد. مکانیسم تجزیه نوری کاتالیزوری مولکول های رنگ از طریق افزایش تله اندازهای مختلف به محلول بررسی شد. حفره نوری و رادیکال هیدروکسیل نقش مهمی به ترتیب در مکانیسم تخریب نوری کاتالیزوری و تخریب نوری داشتند. آزمایش های دیگری برای تجزیه نوری کاتالیزوری رنگ ها، تحت تابش لامپ های مختلف انجام گرفت و نتایج آن ها با آزمایش های مربوط به نور خورشید مقایسه گردید. نانو ذرات تحت تابش نور خورشید فعالیت نوری کاتالیزوری بیشتری نسبت به نور لامپ از خود نشان دادند. همچنین نانو ذرات فریت بیسموت سنتز شده با امواج فراصوت فعالیت نوری کاتالیزوری بیشتری از نانو ذرات سنتز شده به روش سل-ژل داشتند. اکسیداسیون نوری کاتالیزوری فنتونی فنل و مشتقات آن از قبیل 4 کلرو فنل، 2،4،6 تری کلرو فنل ، بیس فنل، 4 نیتروفنل، 2،4 دی نیترو فنل و 2،4،6 تری نیترو فنل با نانو ذرات ناخالص فریت بیسموت سنتز شده از طریق امواج فراصوت بررسی شد. نانو ذرات ناخالص فریت بیسموت با خواص مغناطیسی مناسب به آسانی توسط آهن ربا از محلول جدا گردید. مکانیسم اکسیداسیون نوری کاتالیزوری فنتونی فنل در تاریکی و نور مورد بررسی قرار گرفت. اکسیداسیون جزئی فنل در تاریکی و تجزیه کامل آن تحت تابش نور خورشید بعد از 60 دقیقه انجام شد. رادیکال های هیدروکسیل و مولکول های اکسیژن نقش مهمی در اکسیداسیون نوری کاتالیزوری فنتونی آلاینده های مورد نظر داشتند. مکان های جدید واکنش از طریق تبدیلfe (iii) به fe (ii) روی سطح کاتالیزور ایجاد شده و مکانهای fe (iii) در مکانیسم چرخه ای بازیابی شدند. هچنین اثر پارامترهای مختلف از قبیل غلظت های اولیه h2o2و فنل، کاتالیزور، ph اولیه و نمک های مختلف مطالعه گردید. تخریب کامل فنل و مشتقات آن با نانو ذرات ناخالص فریت بیسموت و با غلظت پایین h2o2انجام گرفت. تخریب کامل مشتقات نیترو بعد از 30 دقیقه انجام گرفت در حالیکه برای سایر مشتقات مدت زمان بیشتری مورد نیاز بود. در انتها، مطالعه نظری بر هم کنش ها و ساختارهای رادیکال هیدروکسیل و متیلن بلو با نظریه تابعی چگالی مطالعه شد. ساختارهای مختلف متیلن بلو، رادیکال هیدروکسیل و متیلن بلو- رادیکال هیدروکسیل با روشb3lyp و مجموعه پایه6-31+g(d) بهینه شدند. محاسبات مربوط به آنالیز بار مولیکن، فرکانس، اوربیتال های پیوندی طبیعی، اوربیتال های مولکولی مرزی و آنالیز بار طبیعی انجام گرفت. به علاوه، چگالی حالت ها، اطلاعات مهمی مربوط به فرایند بر هم کنش بین متیلن بلو و رادیکال هیدروکسیل در اختیار قرار داد. نتایج مطالعات نظری وجود دو نوع بر هم کنش مختلف بین رنگ و رادیکال هیدروکسیل را تأیید می کرد. هنگامی که آنیون کلر در دورترین موقعیت نسبت به رادیکال هیدروکسیل و رادیکال هیدروکسیل در نزدیکترین موقعیت نسبت به قسمت هتروسیکل رنگ قرار گرفته بود، بر هم کنش های قوی بین رنگ و رادیکال هیدروکسیل وجود داشت. هنگامی که آنیون کلر در نزدیکترین موقعیت نسبت به رادیکال هیدروکسیل قرار داشت، پیوند هیدروژنی قوی با آن برقرار کرده و اکسیژن رادیکال با اتم گوگرد متیلن بلو پیوند ایجاد می کرد. این ترکیب جدید به عنوان پایدارترین ساختار بیشترین گاف انرژی و کمترین گشتاور دو قطبی را داشت. آنالیز بار نشان داد که بیشترین تغییرات بار بر ای اتم های اکسیژن و هیدروژن از رادیکال هیدروکسیل و کربن 6، گوگرد 2 و کربن 10 از متیلن بلو بوده است. انرژی های مرزی محاسبه شده انتقال بار درون مولکولی را تأیید می کردند. گاف انرژی homo-lumo متیلن بلو با مقادیر بعد از بر هم کنش مقایسه شد. نتایچ چگالی حالت ها نشان داد که موقعیت homo متیلن بلو به سمت انرژی های بالاتر جابجا شده است. علاوه بر این جابجایی آبی در طیف ir برای باند جذبی اصلی رنگ به محض بر هم کنش با رادیکال هیدروکسیل مشاهده شد. کلید واژه ها: امواج فراصوت، آلاینده های آلی، برهم کنش، نانو کاتالیزور، معدنی شدن